Как построить CubeSat с Arduino и датчиком счетчика Гейгера: 11 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Вы когда-нибудь задумывались, является ли Марс радиоактивным? А если он радиоактивен, достаточно ли высок уровень радиации, чтобы считаться вредным для человека? Это все вопросы, на которые, как мы надеемся, сможет ответить наш CubeSat с Arduino Geiger Counter.

Излучение измеряется в зивертах, что определяет количество излучения, поглощаемого тканями человека, но из-за их огромного размера мы обычно измеряем его в миллизивертах (мЗВ). 100 мЗВ - это самая низкая годовая доза, при которой становится очевидным любое увеличение риска рака, а однократная доза в 10 000 мЗВ приводит к летальному исходу в течение нескольких недель. Мы надеемся определить, где эта симуляция приземлит Марс в радиоактивном масштабе.

Наш урок физики начался с изучения сил полета в течение первой четверти в лаборатории, в которой мы спроектировали наш собственный самолет, а затем создали его из пластин из пенополистирола. Затем мы приступили к запуску, чтобы проверить сопротивление, подъемную силу, тягу и вес самолета. После первого набора данных мы вносили изменения в плоскость, чтобы попытаться получить максимально возможное расстояние.

Затем во втором квартале мы сосредоточились на создании водяной ракеты для дальнейшего наблюдения и проверки концепций, которые мы изучили в первом квартале. Для этого проекта мы использовали двухлитровые бутылки и другие материалы, чтобы построить нашу ракету. Когда мы были готовы к запуску, мы наполняли бутылки водой, выходили на улицу, ставили ракету на стартовую площадку, нагнетали воду и отпускали. Цель заключалась в том, чтобы запустить ракету как можно дальше в вертикальном направлении и безопасно опустить ее.

Наш третий заключительный «большой» проект заключался в создании CubeSat, который будет безопасно переносить Arduino и датчик на модель Марса в нашем классе. Основная цель этого проекта состояла в том, чтобы определить уровень радиоактивности на Марсе и определить, вреден ли он для человека. Еще одна побочная цель заключалась в создании CubeSat, который выдерживал бы испытание на сотрясение и мог бы вместить в него все необходимые материалы. Побочные голы идут рука об руку с ограничениями. Ограничениями, которые у нас были для этого проекта, были размеры CubeSat, его вес и материал, из которого он построен. Другими ограничениями, не связанными с CubeSat, были количество времени, которое у нас было на 3D-печать, поскольку у нас был только один день, чтобы сделать это; датчики, которые мы использовали, также были ограничением, поскольку были датчики, которых у класса не было или которые нельзя было купить. Вдобавок к этому мы должны были пройти тест на встряхивание, чтобы определить стабильность CubeSat, и тест на вес, чтобы убедиться, что мы не превысили 1,3 кг.

-Juan

Шаг 1: Список материалов

Напечатанный на 3D-принтере CubeSat - миниатюрный спутник, который имеет размеры 10 x 10 x 10 см и не может весить более 1,3 кг. Сюда мы кладем все наши провода и датчики, служит космическим зондом.

Провода - используются для соединения счетчика Гейгера и Arduino друг с другом и обеспечения их работы.

Arduino - используется для запуска кода на счетчике Гейгера.

Счетчик Гейгера - используется для измерения радиоактивного распада, от этого зависит весь наш проект по определению радиоактивности.

Батареи - используются для питания счетчика Гейгера, который будет питать Arduino после подключения

Устройство чтения Micro SD - используется для сбора и записи данных, собранных с помощью счетчика Гейгера.

Винты - используются для затяжки верхней и нижней части CubeSat, чтобы убедиться, что он не сломается.

Урановая руда - радиоактивный материал, который счетчик Гейгера использует для определения радиоактивности.

Компьютер - используется для поиска / создания кода, который вы будете использовать для Arduino.

USB-шнур - используется для подключения Arduino к компьютеру и запуска кода.

Шаг 2: Создайте свой CubeSat

Первое, что вам понадобится, это ваш CubeSat.

(Если вам нужно подробное объяснение того, что такое CubeSat, проверьте

При разработке своего CubeSat у вас есть два основных варианта: построить свой собственный из любого материала, который у вас есть, или напечатать его на 3D-принтере.

Моя группа решила напечатать наш CubeSat на 3D-принтере, поэтому все, что нам нужно было сделать, это найти «3D CubeSat» и найти несколько шаблонов, но мы решили взять файл с веб-сайта НАСА. Оттуда вам нужно будет скачать файл; тогда вам понадобится флешка, чтобы распаковать файл и загрузить его на 3D-принтер.

Оттуда просто напечатайте CubeSat на 3D-принтере, чтобы продолжить выполнение остальных шагов.

При создании нашей 3D-модели CubeSat мы поняли, что наша Arduino и шнуры не поместятся внутри нее. Нам всем нужно было разработать стратегию и придумать, как все поместить внутрь. Пришлось повернуть и положить верхнюю и нижнюю крышки лицевой стороной вверх. После этого нам нужно было просверлить отверстия и забить гвозди и найти подходящий размер. Помещая в него все Arduino, SD-карту и все остальное, у нас было «слишком много» места, поэтому нам пришлось добавить внутрь несколько пузырчатых пленок, так что когда мы тестировали, он не повсюду, потому что все было подключено и подключено.

Шаг 3. Набросайте свой дизайн

Как только вы получите все материалы, вы захотите сделать набросок того, как будет выглядеть ваш дизайн.

Некоторые находят этот шаг более полезным, чем другие, поэтому он может быть сколь угодно подробным или простым, но хорошо иметь общее представление о том, как вы собираетесь все организовать.

Наша группа лично использовала его для своего рода мозгового штурма, как мы будем организовывать наши датчики и все провода, но от этого мы не нашли для него особого применения, поскольку мы постоянно что-то меняли, и поэтому наши наброски служили только отправной точкой, поскольку мы этого не делали. я действительно не придерживаюсь их.

Когда вы получите общее представление о том, как все будет выглядеть, вы можете переходить к следующему шагу.

Шаг 4: узнайте, как работает счетчик Гейгера

Как только мы получили счетчик Гейгера, нам пришлось изучить, как он работает, поскольку никто из нас никогда им не пользовался.

Первое, что мы узнали, это то, что счетчик Гейгера сверхчувствителен. Датчики на задней панели издавали чрезвычайно громкий шум, как и сама трубка Гейгера, всякий раз, когда мы касались. Если мы будем держать палец на трубке, он будет издавать один длинный непрерывный звуковой сигнал, и мы будем снимать и включать пальцы, и он будет издавать звуковой сигнал в зависимости от того, сколько пальцев мы находимся на трубке.

Затем мы протестировали счетчик Гейгера с бананами. Мы поняли, что чем ближе радиоактивный материал находится к счетчику Гейгера, тем больше он тикает, и наоборот.

Шаг 5: Инструменты / методы безопасности

1. Первое, что понадобится, - это CubeSat. Для этого вам понадобится 3D-принтер и файлы для печати, или вы можете создать свой собственный, используя любые материалы, которые, по вашему мнению, будут работать; помните, что CubeSat должен иметь размеры 10 см x 10 см x 10 см (пропустите часть 2, если вы создаете свой собственный).
2. Затем вам нужно будет просверлить отверстия в верхней и нижней части корпуса CubeSat, напечатанного на 3D-принтере, чтобы вставить в него винты. Идите вперед и прикрутите нижнюю часть корпуса (убедитесь, что вы носите очки, чтобы мусор не попал вам в глаза)
3. Возьмите несколько батареек и вставьте их в батарейный блок, затем подключите батареи к счетчику Гейгера и подключите счетчик Гейгера к Arduino. Убедитесь, что устройство чтения Micro SD также подключено.
4. Включите счетчик Гейгера, чтобы убедиться, что все работает правильно. Поместите все внутрь CubeSat.
5. Испытайте свой CubeSat в полете, чтобы убедиться
6. После сбора данных убедитесь, что в CubeSat ничего не перегревается. Если есть, немедленно отключите его и оцените проблему.
7. Протестируйте все, чтобы проверить, собираются ли данные
8. Обязательно мойте руки после работы с ураном, который использовался для сбора данных.

Шаг 6: Подключение Arduino

Единственный необходимый источник питания - это батарейки типа АА.

Подключите батареи прямо к счетчику Гейгера, затем подключите контакт VVC к положительной колонке макета.

Подключите другой провод к той же колонке на макетной плате к слоту 5 В на Arduino. Это запитает Arduino.

Затем протяните провод от контакта 5V на Arduino к адаптеру SD-карты.

Затем подключите VIN счетчика Гейгера к аналоговому выводу на Arduino.

После этого подключите GND к отрицательной колонке на макете.

Подключите отрицательный столбец к GND на Arduino.

SD-карта для Arduino:

Мисо идет к 11

Мисо идет на 12

SCK переходит к 13

CS переходит на 4

Шаг 7. Кодирование

Самый простой способ написать код для Arduino - это загрузить приложение ArduinoCC, которое позволяет писать код и загружать его в Aduino. Нам было очень трудно найти полный код, который бы работал. К счастью для вас, наш код включает запись CPM (кликов в минуту) и данных на SD-карте.

Код:

#включают

#включают

/ * * Geiger.ino * * Этот код взаимодействует с платой счетчика Гейгера Alibaba RadiationD-v1.1 (CAJOE)

* и сообщает показания в CPM (количество в минуту). *

* Автор: Марк А. Хеклер (@MkHeck, [email protected]) *

* Лицензия: Лицензия MIT *

* Пожалуйста, используйте бесплатно с указанием авторства. Спасибо!

*

* * Отредактировано ** * /

#define LOG_PERIOD 5000 // Период регистрации в миллисекундах, рекомендуемое значение 15000-60000.

#define MAX_PERIOD 60000 // Максимальный период регистрации

непостоянные длинные беззнаковые счетчики = 0; // События GM Tube

unsigned long cpm = 0; // CPM

const unsigned int multiplier = MAX_PERIOD / LOG_PERIOD; // Рассчитывает / сохраняет цену за тысячу показов

unsigned long previousMillis; // Измерение времени

const int pin = 3;

void tube_impulse () {

// Захватывает количество событий с платы счетчика Гейгера counts ++;

}

#включают

File myFile;

void setup () {

pinMode (10, ВЫХОД);

SD.begin (4); // Открываем последовательную связь и ждем открытия порта:

Serial.begin (115200);

}

void loop () {// после настройки ничего не происходит

беззнаковый длинный currentMillis = millis ();

if (currentMillis - previousMillis> LOG_PERIOD) {

previousMillis = currentMillis;

cpm = counts * multiplier;

myFile = SD.open ("test.txt", FILE_WRITE);

if (myFile) {

Serial.println (копий в минуту);

myFile.println (cpm);

myFile.close ();

}

counts = 0;

pinMode (контакт, ВХОД); // Установить контакт на вход для захвата событий GM Tube interrupts (); // Разрешить прерывания (если они были ранее отключены) attachInterrupt (digitalPinToInterrupt (pin), tube_impulse, FALLING); // Определяем внешние прерывания

}

}

У нас есть изображение первого кода, который мы использовали, который был неполным, так что это была первая из наших проблем с кодированием. С этого момента мы не могли продолжать работу над проектом, пока наши учителя не помогли нам с кодом. Этот код был получен из другого кода, который работал только со счетчиком Гейгера, но ни разу не был связан с SD-картой.

Шаг 8: тестовый код

Когда у вас есть код, протестируйте его, чтобы убедиться, что вы можете собирать данные.

Убедитесь, что все настройки верны, поэтому проверьте свои порты и провода, чтобы убедиться, что все правильно.

После того, как вы все проверили, запустите код и посмотрите, какие данные вы получаете.

Также обратите внимание на единицы излучения, которое вы собираете, так как они определяют фактическое излучение, которое излучается.

Шаг 9: Проверьте свой CubeSat

После того, как вы разберетесь с кодированием и проведете все подключения, ваш следующий шаг - подогнать все внутри CubeSat и протестировать его, чтобы убедиться, что ничего не развалится при окончательном тестировании.

Первое испытание, которое вам нужно будет пройти, - это летное испытание. Возьмите что-нибудь, на что можно повесить CubeSat, и поверните его, чтобы проверить, улетит он или нет, и убедиться, что он вращается в правильном направлении.

После того, как вы закончите первый предварительный тест, вам нужно будет пройти два теста на встряхивание. Первый тест будет моделировать турбулентность, которую CubeSat испытает при выходе из земной атмосферы, а второй тест сотрясения будет моделировать турбулентность в космосе.

Убедитесь, что все ваши части остались вместе и ничего не развалилось.

Шаг 10: Заключительное тестирование и результаты

Данные, собранные на столе на разном расстоянии от счетчика Гейгера

Интервалы сбора в 5 секунд 0 72 24 36 48 612 348 60 48 48 24 36 36

Перед окончательным тестированием мы собрали данные, включив счетчик Гейгера и поместив радиоактивный материал на разное расстояние. Чем выше число, тем ближе счетчик Гейгера к радиоактивному материалу.

Данные, собранные во время фактического тестирования

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Для наших реальных испытаний радиоактивный материал оказался слишком далеко от счетчика Гейгера, чтобы его можно было измерить.

Что означают данные? Используя таблицу показаний, мы можем определить, что чем выше число, тем опаснее радиация для человека. Затем мы можем преобразовать количество кликов в минуту в мЗв, которые являются фактическими единицами измерения радиации. Итак, согласно нашему эксперименту, Марс идеально подходит для людей!

К сожалению, реальность часто разочаровывает. Излучение Марса на самом деле составляет 300 мЗв, что в 15 раз выше, чем то, что ежегодно получает рабочий атомной электростанции.

Другие данные о нашем рейсе включают:

Fc: 3,101 Ньютона

Ас: 8,072 м / с ^ 2

V: 2,107 м / с

м: 0,38416 кг

P: 1,64 секунды

F: 0,609 Гц

Шаг 11: проблемы / советы / источники

Основная проблема, с которой мы столкнулись, заключалась в том, чтобы найти код, который работал бы для Гейгера и SD-карты, поэтому, если у вас есть такая же проблема, не стесняйтесь использовать наш код в качестве основы. Другой вариант - зайти на форумы Arduino и попросить там о помощи (однако будьте готовы заплатить, поскольку мы заметили, что люди с меньшей вероятностью помогут, если нет компенсации).

Одна вещь, которую мы могли бы посоветовать другим, - это попытаться найти способ, чтобы счетчик Гейгера был как можно ближе к излучению, чтобы иметь возможность получать больше сертифицированных данных.

Вот источники, с которыми мы консультировались для всех, кто интересуется:

www.space.com/24731-mars-radiation-curiosi…

www.cooking-hacks.com/documentation/tutori…

community.blynk.cc/t/geiger-counter/27703/…